Устройство для регулирования температуры

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯТЕМПЕРАТУРЫ , содержащее образцовый резистор, подключенный первым выводом к нулевой шине, а вторым - к первому вьшоду терморезистора, второй вьшод которого через фильтр нижних частот подсоединен к выходу ключево-. го элемента, связанного управлякицим входом с выходом компаратора, а входом - с источником питания, р т л и чающееся тем, что, с целью повышения точности поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в гаироких пределах теплофизических параметров окружающей сре/д 1, в него введены первый и второй дифференциальный усилители, перемножитель , первый и второй резисторы . и квадратор, вход которого подключен к точке подсоединенияобразцового резистора и терморезистора к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя, а выход квгщратора к первому входу перемножителя, связанного вторым входом с выходом второго дифференциального усилителя и с первым входом компаратора, соединенного вторым входом с выходом первого дифференциапьнога усилителя, подключенного неинвертирующим входом к точке соединения образцового резистора (п и терморезистора, а инвертирующим входом - к второму выходу терморёзистора , причем неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя через первый резистор связан с выходом перемножителя, а через второй резистор - с шиной нулевого потенциала .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (51) 4 G 05 D 23/19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

") айьЛИМИ/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3759776/24-24 (22) 22.06.84 (46) 07. 12.85. Бюл. ¹ 45 (72) А.Я. Гаршин, В.В. Митрофанов

A.Â. Грибанов, Л.П. Домнин, С.К. Дыменко и В.Н. Менжук (53) 621.555.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 650055, кл. G 05 D 23/19, 1977. 1еждународная заявка- WO PCT/GB № 83/00574, кл, G 05 D 23/24, 1983. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

TEMJIEPATYPbl, содержащее образцовый резистор, подключенный первым выводом к нулевой шине, а вторым — к первому выводу терморезистора, второй вывод которого через фильтр нижних частот подсоединен к выходу ключевого элемента, связанного управляющим входом с выходом компаратора, а входом — с источником питания, р т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности поддержания температуры нагреваемого объекта в усло.виях изменения в широких пределах теплофиэических параметров окружающей среды, в него введены первый и второй дифференциальный усилители, пере множитель, первый и второй резисторы . и квадратор, вход которого подключен к точке подсоединения образцового резистора и терморезистора к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя, а выход квадраторак первому входу перемножителя, связан. ного вторым входом с выходом второго дифференциального усилителя и с первым входом компаратора, соединенного вторым входом с выходом .первого цнфференциального усилителя, подключенного неинвертирующим входом к точке соединения образцового резистора и терморезистора, а инвертирующим входом — к второму выходу терморезистора, причем неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя.через первый резистор связан с выходом перемножителя, а через второй резистор — с шиной нулевого потенциала.

1196827

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры и может быть использовано для поддержания стабильной температуры объектов, работающих в условиях значительных перепадов величины тепловой мощности, отдаваемой в окружающую среду, например, в потоках жидкостей или газов, изменяющих в широких пределах свои физические и динамические параметры.

Цель изобретения — повышение точности поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в широких пределах теплофизических параметров окружающей среды.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для ре гулирования .температуры; на фиг. 2 вариант конструктивного исполнения узла нагревательный элемент — нагреваемый объект.

Устройство для регулирования темпе ратуры содержит образцовый резистор

1, один из выводов которого подключен к нулевой шине, а противополож. ный — к одному из выводов терморезис тора 2, подсоединенного противоположным. выводом через фильтр 3 нижних частот к выходу ключевого элемента

4, связанного управляющим входом с выходом компаратора 5. Устройство содержит также первый дифференциальный усилитель 6 и источник 7 пита- . ния, неинвертирующий вход первого дифференциального усилителя 6 подклю чен к точке соединения образцового резистора 1 и терморезистора 2, инвертирующий вход — к противоположному выводу терморезистора 2, а выход — к одному из входов компаратора 5, связанного другим входом с выходом второго дифференциального усилителя 8, подключенного инвертирующим входом к точке соединения образцового резистора 1 и терморезистора 2 °

В состав устройства входят перемножитель 9, квадратор 10 и делитель напряжения на первом 11 и втором 12 резисторах. Один из выводов резистивного делителя напряжения на резисторах 11 и 12 подключен к нулевой шине, противоположной вывод— к выходу перемножителя 9, а средняя точка — к неинвертирующему входу, дифференциального усилителя 8, инвертирующий вход которого подключен к входу квадратора 10, связанного

15 . элемент 2 — нагреваемый объект 13 (фиг. 2) может быть представлен в

25

50

55 (35

45 выходом с первым входом перемножителя 9, второй вход которого подключен к выходу дифференциального

I усилителя 8. Терморезистор 2 размещен: в непосредственной близости от нагре- ваемого объекта 13 и может быть удален от электрической схемы устройства на значительное расстояние, соединяясь со схемой при помощи четырех проводной линии шинами 14 — 17. Параллельно ключевому элементу 4 включен балластный резистор 18.

Практический вариант конструктивного исполнения узла нагревательный в виде плоского терморезистора 2, отделенного от внешней среды электроизоляционными пластинами 19, йа внешней поверхности одной из которых размещен термостатируемый объект 13 (например, чувствительный элемент химического датчика .

Устройство для регулирования температуры нагреваемого объекта работает следующим образом.!

В начальный момент, после подачи питающего напряжения на.устройство, температура нагреваемого объекта 13 и термореэистора 2 находится на уровне ниже требуемого. При этом, независимо от сигнала с выхода компаратора 5, балластный резистор 18 обеспечивает протекание через терморезистор 2 минимального тока, величи на которого не достаточна для заметного разогрева терморезистора 2, однако позволяет по величине падения напряжения на терморезисторе 2 и образцовом резисторе 1 оценить величину сопротивления терморезистора 2 и, следовательно,его температуру. Терморезистор 2 включен.по четырехпроводной схеме таким образом что величина падения напряжения на нем передается на вход дифференциального усилителя 6 через шины 15 и

16 практически без ошибок, так как при этом по шинам 15 и 16 текут ничтожно малые токи, обусловленные высоким входным сопротивлением дифференциального усилителя 6. На выходе дифференциального усилителя 6 присутствует однополярное напряжение, пропорциональное падению напряжения на термореэисторе 2. Допустимая рассеиваемая мощность и температурный коэффициент образцового ре3 зистора 1 выбраны таким образом, что его сопротивление практически не зависит от величины протекающего через него тока. При этом на вход дифференциального усилителя

8 поступает напряжение, пропорциональное величине тока через терморезистор 2. В общем. случае величина напряжения на выходе дифференциального усилителя 8 является некоторой нелинейной функцией от величины входного напряжения. Вид передаточ- ной функции, реализуемой на выходе дифференциального усилителя 8, опре-. деляется конкретными значениями коэффициентов теплопроводности конструктивных элементов термостатируемого объекта 13, а также видом зависимости сопротивления терморезистора 2 от температуры.

Поскольку в начальный момент температура объекта 13 и терморезистора 2 находится ниже требуемого уровня, то сопротивление терморезистора 2 отличается от той величи- ны, которая должна установиться при требуемой температуре. При этом соотношение величин падений напряже- ния на терморезисторе 2.и образцовом резисторе 1 устанавдивается таким образом, что напряжение на выходах дифференциальных усилителей 6 и 8 переключает компаратор 5 в состоя-. ние, при котором сигнал с его выхода включает ключевой- элемент 4. В этом случае по цепи от источника 7 питания через ключевой элемент 4, фильтр 3 нижних частот, шину 14, терморезистор 2, шину 17 и образцовый. резистор 1.начинает протекать ток, величина которого нарастает во.вре- ., мени с некоторой скоростью, определяемой параметрами фильтра 3 нижних . частот. Постоянная времени фильтра

3 нижних частот выбирается большей; чем постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность терморезистора 2, вследствие чего каждому значению тока, протекающего через терморезистор 2, соответствует прак- тически установившееся значение температуры термореэистора 2 и-нагреваемого объекта 13.

1196827 в окружающую среду. При увеличении температуры меняется сопротивление терморезистора 2, что приводит к из.менению состояния величин. напряжений, поступающих на входы дифференциальных усилителей 6 и 8. Соответственно изменяется соотношение напряжений на входах компаратора 5.

При некотором значении сопротивления термореэистора 2 и его температуры соотношение величин падений напряжения на терморезисторе 2 и образцовом резисторе 1 достигает такого значения,что напряжения на входах компаратора 5 становятся равными.

При этом сигнал на выходе компаратора 5 изменяет свое значение на противоположное, что приводит к запиранию ключевого элемента 4. Ток, протекающий через терморезистор 2, начинает .уменьшаться. Начинает уменьшаться также тепловая мощность, подводимая к терморезистору 2, его температура, а .также сопротивление. Это приводит к изменению соотношения величин падений напряжения на терморезисторе 2 и образцовом резисторе до значения, при котором компаратор 5 переключается в предшествующее состояние и сигнал с его выхода нова включает ключевой элемент 4. алее процесс циклически повторяется.

35

Если параметры окружающей среды остаются неизменными, то температура терморезистора 2 автоматически поддерживается на определенном уровне. При этом температура термостатирующего объекта 13 также остается стабильной.

50 Положим; что в начальный момент времени величина теплового сопротивления от,терморезистора 2 и объекта .t3 до окружакццей среды велика. При этом тепловая мощность, отводимая

55 от терморезистора 2, мала и, следовательно, мал тепловой поток от терморезистора 2 к нагреваемому объекЪ ту 13. В связи с этим мал перепад

Таким образом, с увеличением тока начинает возрастать температура терморезистора 2 и объекта 13. При определенном установленном значении постоянной времени фильтра 3 нижних

4, частот зависимость температуры терморезистора 2 от величины тока определяется только величиной тепловой мощности, отдаваемой s окружающую среду, так как в тепловом балансе терморезистора (2 доля тепловой энергии, необходимой для поВышения температуры и обусловленной теплоемкостью терморезистора 2,,мала по

1О сравнению с энергией, отдаваемой

I Rt

35 (2) 5 11 температур между терморезистором 2 и объектом 13, вследствие чего с достаточной точностью .можно принять, .что температура объекта равна температуре нагревателя. Если в силу каких-либо причин теплоотдача от терморезистора 2 и объекта 13 в окружающую среду увеличится, например за счет уменьшения температуры окружающей среды или за счет увеличения ее теплопроводности, то это приводит к снижению температуры терморезистора 2 и к изменению его сопротивления. Изменение сопротивления терморезистора 2 вызывает изменение соотношения величин напряжений„ подаваемых на входы дифференциальных усилителей 6 и 8, что, в свою очередь, вызывает разбаланс напряжений на входах компаратора. 5. Сигнал на выходе компаратора 5 изменяется таким образом, что среднее значение тока, протекающего через ключевой элемент 4 и далее по цепи через терморезистор 2, увеличивается по отно-шению к первоначальному значению, что вызывает увеличение тепловой мощности, выделяющейся в терморезисторе 2, и повышение его температуры.

Однако состояние равновесия, уста. новившееся в результате описанного процесса, не будет характеризоваться прежним значением температуры терморезистора 2, так как величина падения напряжения на образцовом резисторе 1, пропорциональна току через терморезистор 2, передается на вход компаратора 5, претерпев нелинейные преобразования. В связи с этим стабилизирующее значение температуры терморезистора 2 увеличивается при увеличении тока .через терморезистор и, следовательно, при увеличении выделяющейся на нем мощ. ности. Как отмечалось, при увеличении теплоотдачи в окружающую сре-. ду температура объекта 13 умейьшается относительно температуры нагревателя. Поскольку тепловая мощность, выделяемая на терморезисторе 2, практически полностью передается в окружающую среду, то существует определенная функция преобразования, реализация которой с помощью элементов

8-12 позволяет увеличить температуру терморезистора 2 с увеличением подводимой к нему мощности таким образом, что рост температуры термо96827 Ь резистора компенсирует увеличение разницы температур между терморезнстором и объектом, вследствие чего температура объекта 13 остается не5 изменной.

Работа устройства на конкретном примере (фиг. 2)..

Тепловая мощность, выделяющаяся в терморезисторе 2, отводится, как

1О показано стрелками на фиг. 2, через две обкладки из конструкционного электроизолирующего материала 19 в окружающую среду. Для упрощения примем, что тепловые мощности, отво15 димые от обеих поверхностей нагреваемого объекта 13, равны. (Это условие не является обязательным). Примем также справедливое для подавляющего большинства материалов условие пос2О тоянства теплового сопротивления в ограниченном диапазоне температур. При этих условиях разница температур между терморезистором 2 и термостатируемым объектом 13 выра 5 жается зависимостью где Р— тепловая мощность, передаваемая от терморезистора к

30 объекту; — тепловое сопротивление от терморезистора до объекта.

В свою очередь где I К вЂ” электрическая мощность, подводимая к терморезистору. .В случае необходимости стабильного поддержания температуры термостатируемого объекта предпринимаются специальные меры по уменьшению

4 теплового сопротивления объект — на45 греватель, в связи с чем относительное изменение температуры нагревателя, необходимое для поддержания стабильной температуры объекта, оказывается, как правило, сравнительно

50 малым. В связи с этим для большинства неполупроводниковых терморезисто. ров в ограниченном интервале темпера. тур можно принять температурную зависимость сопротивления как линейную В .= + (3) где R — исходное значение сопротивления терморезистора при

О С; 1196827 8 температурный коэффициент Преобразовав выражение (7), можсопротивления. но получить

Функциональный преобразователь, выполненный на элементах 8-12 реалиЭ

U =-П

К2

Вых "Bx1 (I R )2K К зует передаточную функцию, необходим мую для поддержания стабильной темпе . или ратуры объекта 13. При условиях, что тепловое сопротивление между термо

К2 . (9)

I R К К резистором 2 и объектом 13 является г постоянным и что температурная зависимость сопротивления терморезистора

2 линейна в ограниченном интервале температур, функциональный преобразо ватель работает следующим образом.

Входным сигналом функционального пре (10) образователя является напряжение, величина которого определяется фор- и

Ф мулой (11) (8) В реальном устройстве значения

R„, К„, К, выбраны таким образом, что обеспечивается выполнение равенства

Rî " с

К1Кт Ra вх (4-) к + al cc

30 вых - " 1 05РфР (12) На входах компаратора 5 величины нацряжений поддерживаются практически равными за счет обратных связей.

Отсюда следует, что напряжение на

35 выходе дифференциального усилителя 6 также определяется выражением (12) °

Поскольку дифференциальный усилитель

6 имеет линейную передаточную харак40 теристику, то при коэффициенте передачи дифференциального усилителя 6

К = -1, напряжение на терморезисторе 2 также будет определяться выражением (12). В этом случае выражение

Re +

" 45 1 „, определяет зависимость

-0,51110 12 солротивления термореэистора 2 от тока, которая выполняется для функционального преобразователя предлагаемого устройства. Отсюда следует,что

R о+ 4<с

105 Ы У (И) в

Преобразовав выражение (13), 96!х g Bx вых (5) "арык, = (Р1) UBg(x (6) где UB< x — напр цкение на выходе функ ционального преобразователя. Напряжение с выхода перемножителя 9 через делитель, образованный .резисторами 11 и 12, подается с коэффициентом передачи К на неинвертирующий вход дифферейциального усилителя 8, имеющего коэффициент передачи К . Напряжение на выходе дифференциального усилителя 8 и всего функционального преобразователя может быть выражено формулой

+ "с+0,5 У 1 К (14) 1-.0,5 р g I

S5 получим зависимость, аналогичную зависимости сопротивления от темпераПвых = t "ах+ UBX (IaR„) K„)K> . (7) где I„ - ток, протекающий через образцовый резистор 1;

R — величина сопротивления

1 образцового резистора 1.

Напряжение Ув„подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя 8 и на вход квадратора 10, Напряжение, равное квадрату напряжения, с выхода квадратора 10 поступает на один из входов перемножителя 9, на второй вход которого . подается напряжение с выхода дифференциального усилителя 8.

Ф

Таким образом, напряжение на вы-. ходе перемножителя 9 определяется как

20 где t температура стабилизации чувствительного элемента.

Например, при выборе, определенного значения R величины К и К

1 г находятся решением системы уравнений (10) и (11) .

С учетом равенств (10) и .(11) выражение (9) может быть преобразовано следующим образом:

9 1 туры для терморезистора с линейной характеристикой. с + 0,5 5>q РRq

Выражение, опре1-0,5 р деляет температуру термореэистора, которая является функцией тока I;

t

1- 0,5 9q ЫР где t — температура терморезисК тора.

Путем математических преобразований выражение (15) можно привести к виду. (15) tc + 0,5 у I (Ro + Ъ ) (16) где I (R + gt ) — тепловая мощность, выделяющаяся йа терморезисторе при прохождении через него тока I.

Отсюда следует, что (17) Иэ изложенного следует, что температура терморезистора не является постоянной и зависит от величины рассеиваемой им мощности по закону, описанному выражением (17), тогда

:как.температура термостатируемого объекта является стабильной, поскольку она меньше, чем температура тер19б827 10

" морезистора на величину, равную

Р . При этом .температура объекта не зависит от условий теплообмена с окружающей средой. Следователь5 но, предлагаемое устройство обеспечивает точность поддержания температуры нагреваемого объекта в условиях изменения в широких пределах теплофизических параметров окружающей

1О. среды.

Технические преимущества предлагаемого устройства заключаются в том, что в нем учитывается зависимость разницы температур нагревателя и тер15 мостатируемого объекта от условий теплоотдачи. Эти преимущества позволяют успешно использовать предлагаемое устройство для поддержания стабильной температуры объектов, ра20 ботающих в потоках жидкостей или газов, изменяющих в широких пределах свои физические и динамические параметры, что обеспечивает повышение точности измерений физических и хи25 мических параметров, позволяет создавать миниатюрные, дешевые, высокочувствительные датчики параметров контролируемых сред, автоматизировать контроль технологических процессов, что способствует повышению эффективности производства.

Фиг.

1196827

)7!

У Р

Фиг. 2 Составитель Л. Птенцова

Техред Л.Мартяшова

Корректор М. Самборская

Редактор А. Шандор

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 7563/46 Тираж 862

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, .д. 4/5